La tabla 3.2 recoge los resultados del reemplazo de los motores. El objetivo de la misma ha sido analizar el comportamiento del consumo de energía anual y obtener cuanto se ahorra con la propuesta planteada.
En este caso se ha trabajado con un rango de potencia desde (30- 175 KW). Para seleccionar la potencia del nuevo motor se analiza el factor de carga y el rendimiento del obsoleto. Si este se encuentra operando por debajo del 40% de su carga nominal es candidato al reemplazo por un nuevo motor.
En el caso del motorI, presenta una potencia de 30KW para un valor de 8,71Hp, el Kc es de 0,20
muy bajo y un rendimientote 0,43. Analizando todos estos valores se propone un motor de 10Hp manteniendo la velocidad (rpm), número de polos y la tensión del motor obsoleto constante para la selección del nuevo motor logrando en el mismo un nuevo factor de carga igual a 0,84.
La potencia real del motor actual no es más que el valor en KW al que está trabajando el motor obsoleto. El rendimiento de los motores en uso se obtuvo a través de las mediciones realizadas en el CAI. Loynaz y el de los nuevos motores es el valor al cual queríamos elevar el rendimiento dando la posibilidad el programa empleado para la selección de los equipos.
Tabla3.2 Base de datos
Cuando se realiza la selección a través del programa se obtienen una relación de motores eficiente que cumplen con las características propuestas. Cada motor en su recomendación contiene el precio y una serie de parámetros característicos del motor, de todos seleccionamos aquel que cubra las necesidades planteada a un menor precio. El factor de carga del motor obsoleto se determinó según la formula (3.1) de la misma manera la del motor eficiente. El consumo del motor candidato al reemplazo es muy alto para ambas horas de trabajo reduciendo el consumo anual con la introducción de motores eficiente en más del 50%.
La inversión diferencial no es más que el precio del motor para este escenario, si fuese para la opción motor nuevo estándar versus motor nuevo eficiente entonces la inversión diferencial sería:
nuev obsol d P P I = − (3.6) Donde: Id: Inversión diferencial
Pobsol: Precio del motor obsoleto
Pnuevo: Precio del motor nuevo
Elementos Motor I Motor II Motor III Motor IV Motor V MotorVI
Potencia nominal del motor obsoleto ( kw ) 30 75 55 45 250 175
Potencia nominal del motor a seleccionar (kw) 7,46 29,84 29,84 37,3 223,8 186,5
Potencia real del motor actual 6,5 25 23,6 30,6 187 150
Potencia en (hp) del motor real 8,71 33,51 31,64 41,02 250,67 201,07
1. Rendimiento motor obsoleto 0,43 0,55 0,85 0,87 0,77 0,88
2. Rendimiento motor eficiente 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94 0,94
3. Precio motor eficiente 663 2.392 2.392 1.697 9.846 8.238
4. Factor de carga (fc) del motor obsoleto 0,20 0,30 0,40 0,68 0,70 0,85
4. Factor de carga (fc) del motor eficiente 0,84 0,84 0,79 0,82 0,84 0,80
5. Número de horas anuales de operación 6.000 6.000 6.000 6.000 6.000 6.000
5. Número de horas anuales de operación 4.000 4.000 4.000 4.000 4.000 4.000
6a. Consumo anual motor obsoleto MWh 6000 83,72 183,11 155,29 211,03 1.363,64 1.014,20
6b. Consumo anual motor obsoleto MWh 4000 41,64 245,45 77,23 140,69 909,09 676,14
7a. Consumo anual motor eficiente MWh 6000 41,53 159,74 150,80 195,53 1.194,89 958,47
7b. Consumo anual motor eficiente MWh 4000 6,36 38,13 50,85 108,05 667,35 675,29
Vida útil del equipo (n) 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00
Tasa de descuento (d) 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12
FRC=d*(1+d)^n/[(1+d)^n-1] 0,134 0,134 0,134 0,134 0,134 0,134
9. Inversión diferencial 663 2.392 2.392 1.697 9.846 8.238
10. Costo anual del capital 88,84 320,53 320,53 227,40 1.319,36 1.103,89
11a. Costo de energía ahorrada 6000h USD¢/kWh 0,21 0,37 7,13 1,47 0,78 1,98
11b. Costo de energía ahorrada 4000h USD¢/kWh 0,25 0,38 1,21 0,70 0,55 0.84
Diferencias del consumo anual 6000h 372,39 kWh 42,19 85,71 4,50 15,51 168,75 55,74
En este caso, la rentabilidad del ejemplo es factible para las horas de uso del motor. El costo de energía ahorrada para ambos casos disminuye en comparación con la demanda fijada (Costo de la energía = 4,0 US ¢/kWh) a excepción del motor III que solo es válido para 6000 horas de trabajo pero como lo analizamos para un lote de motores, no tiene gran influencia ya que ahorra en otros aspectos a tratar. La posibilidad de que el ahorro de potencia pueda ser considerado como un ahorro efectivo dependerá de la viabilidad de cambiar en el contrato el cargo por demanda máxima, lo que sería quizás atractivo si se trata de cambiar un número importante de motores. Cuando analizamos el factor de carga del motor eficiente podemos ver que cumplimos ya que no se pasa del 85% de su carga.
Para el primer motor se obtuvo un consumo anual del obsoleto de 83,72MWh cuando se realizó la metodología para el reemplazo se logra un consumo anual del motor eficiente de 41,53 MWh con un costo anual de 88,84$, para una diferencia del consumo de 42.19 MWh. Ahorrando por año un costo de energía de 0.25 USD¢/kWh y un factor de carga de 0.84. Para el resto de los motores se realiza un análisis similar logrando efectividad en el reemplazo.
La figura 3.1 es la interpretación grafica del comportamiento de los motores con respecto a la potencia nominal. En el se puede apreciar que los motores obsoletos están mal seleccionados en el mayor de los casos operando casi sin carga trayendo como consecuencia baja eficiencia. En el caso del motor seis es lo contrario ya que el mismo se encontraba subcargado. Con la nueva selección de motores se aprovecha al máximo la potencia nominal siempre teniendo en cuenta que el factor de carga no sobrepase el 85% para no sobrecargar al motor percatándonos de la gran diferencia existente.
7.46 29.84 29.84 37.3 223.8 186.5 30 75 55 45 250 175 0 50 100 150 200 250 300
Motor I Motor II Motor III Motor IV Motor V Motor V
kW
Nuevo Viejo
Figura3.1 Gráfico de la potencia en función del motor
En la figura 3.2 se analiza el comportamiento del factor de carga en función de los motores. Pudiendo verificar que con la introducción de nuevas máquinas el coeficiente de carga aumenta en comparación a los existentes teniendo los mismos un mayor aprovechamiento. Se logra que estos motores contengan un valor promedio, quedando siempre por debajo del límite al que estos se encuentran expuestos para entrar en sobrecargas. Con este resultado hay mejoras en la eficiencia a la cual trabajará el motor.
La figura 3.3 representa el comportamiento del consumo anual en MWh tanto para el motor obsoleto como para el eficiente ambos para las diferentes horas de trabajo. En este gráfico se puede observar que el motor obsoleto presenta un mayor consumo quedando para ambas horas por encima del eficiente. La diferencia de consumo por motor es buena aunque para el motorVI cuando se analiza para 4000h esta varía en 1 MWh afectando el consumo de energía ahorrada por año, como este trabajo es basado en el comportamiento para un lote de motor se obtiene que para 6000h la diferencia del consumo anual es de 372,39 kWh y para 4000h es de 420,84. Estas dos figuras se encuentran en la página siguiente.
0.2 0.3 0.4 0.68 0.7 0.85 0.84 0.84 0.79 0.82 0.84 0.8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Motor I Motor II Motor III Motor IV Motor V Motor V
Fc Viejo
Nuevo
Figura3.2 Gráfico del factor de carga en función del motor
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Motor I Motor II Motor III Motor IV Motor V Motor V
CA MWh
Viejo 6000 Nuevo 6000 Viejo 4000 Nuevo 4000
El gráfico de la figura 3.4 representa el comportamiento del consumo de energía para las diferentes horas de trabajo, realizando un análisis muy similar al de los gráficos anteriores.
0.21 0.37 7.13 1.47 0.78 1.98 0.25 0.38 1.21 0.7 0.55 0.84 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Motor I Motor II Motor III Motor IV Motor V Motor V
Motores
CE CE 6000
CE 4000
Figura3.4 Gráfico del consumo energía en función del motor
En la tabla 3.3 se encuentran los datos del primer motor que se selecciona con la ayuda del sofwer Programa Internacional para la Selección de motores y el Análisis de Ahorro. Los datos de los restantes motores se encuentran a partir del anexo1.5. Esta tabla se encuentra en la página siguiente.
Tabla 3.3 Datos del nuevo motor
Motor1 Datos
Fabricante Hemco Frame
U False
Modelo Global-OP
Eje Vertical False
Catálogo HB0104DBA
Montaje frontal C False
Tipo de motor NEMA
Diseño B D_Flange False
Potencia (HP) 10
Factor de servicio 1,15
Velocidad (RPM) 1800
Peso (libras) 149,0
Velocidad a plena carga (RPM) 1765
Clase del aislamiento F
Carcasa tipo ODP
Precio de lista ($) 663
Frame No 215T
Garantía (años) 3
Tensión nominal 208-230/460
Barras del rotor 28
Uso específico <Motor de uso general>
Ranuras del estator 36
Inercia del rotor (kgm^2) 0
Resistencia del enrollado (en miliohms a 25 C) 0,0
Funcionamiento
Eficiencia (%)
IEC
Tipo de prueba N/A N/A Plena carga N/A 89,5
75% carga N/A 90,3 50% carga N/A 90,0 25% carga N/A 85,4 Factor de potencia (%) IEEE Plena carga 82,0 75% carga 77,4 50% carga 66,7 25% carga 45,9 Par (libras-pie) Plena carga 30,0 Par máximo 75,0 Par minimo 0,0 Rotor bloqueado 54,0
Intensidad de corriente (A)
Plena carga 13,2
Vacio 4,4
Rotor bloqueado 80,0
Pasos a seguir para la selección del motor empleando Programa Internacional para la Selección de motores y el Análisis de Ahorro
1. Seleccionar el escenario.
2. Introducir los datos del motor obsoleto. 3. Fijar la potencia del nuevo motor.
4. Fijar el valor al se quiere elevar el rendimiento. 5. oprimir la opción buscar.
6. escoger el motor más económico. 7. Imprimir el resultado de la búsqueda.
III.5. Conclusiones.
Se hace mención a los diferentes factores que intervienen en el funcionamiento del motor para el análisis de la eficiencia.
Para el reemplazo del motor obsoleto, el rendimiento de los motores eficiente se eleva hasta un valor del 94%.
Se obtiene un factor de carga por encima del 40% un valor promedio entre todos los motores con un buen aprovechamiento.
Se demuestra que con el reemplazo de motores el consumo anual disminuye alrededor del 30-40% del consumo anual del motor existente.
El costo de energía ahorrada de todos los motores para 6000 h es como promedio 1.99 USD¢/kWh y para 4000 h es de 0.65 USD¢/kWh quedando por debajo de la norma. Solo para Motor III el costo de la energía ahorrada queda por encima de la norma.
Se obtiene una diferencia de consumo anual para 6000 h de 379 kWh y para 4000 h de 420.84 kWh
Conclusiones
Se definen los métodos generales para la evaluación de las inversiones en eficiencia energética. Se ilustran los tres escenarios de la evaluación del proceso: Nuevo motor, Rebobinado y Reemplazo de un motor existente.
Se demuestra la importancia del estado de carga del motor a la hora de analizar la eficiencia ya que nos permite tomar la decisión de cuando reemplazar un motor y como será la selección del mismo.
Durante el análisis del caso de estudio se demostró que el reemplazo del motor obsoleto, por otro de mejor eficiencia eleva el rendimiento hasta un valor del 94%, aumenta el factor de carga y el consumo anual disminuye alrededor del 30-40% del consumo anual del motor existente.
El costo de energía ahorrada de todos los motores depende del número de horas para el cual opera el motor.
Recomendaciones
Utilizar el presente trabajo en la disciplina de ingeniería eléctrica para el desarrollo del proyecto integrador en 3er año, para la aplicación de la metodología de selección de motores.
Gestionar la aplicación de la metodología aquí propuesta para la industria del territorio.
Utilizar este trabajo en la sustitución de motores obsoletos que se lleva a cabo en el país por el PAEC.
Bibliografía.
1- Ivanov-Smolenski, A. V. Máquinas Eléctricas (tomo II). Editorial Mir - Moscú. 2- Caracterización energética de motores de inducción trifásica.www.prismas.com
3- Mc Pherson, G. An Introduction to Electrical Machines and Transformers. Second Edition, 1989.
4- Voldek, I. Máquinas Eléctricas (en dos tomos). La Habana. Editorial Pueblo y Educación, 1974.
5- Recomendaciones para el ahorro de energía en motores eléctricos. FIDE. México D.F, Pág. 24
6- Revisión de la normatividad en la aplicación de motores de inducción de la eficiencia alta. Boletín IIE, marzo abril del 2001.
7- Uso eficiente de la energía eléctrica. www.energuia.com 8- Manual_evamotor. www.cubaenergía.com
9- Alianza para la recuperación económica. Diario de Yucatán, México, pág. 67, 31 de octubre del 95
10- NEMA.MG-10-1994,Energy Managment guide for Selection and Use of FIFEC
Anexo
Anexo.1 Valores por defecto de Eficiencia en Motores.
Los valores de eficiencia se determinan obteniendo el promedio para cada punto de carga (100%, 75%, 50%, y25%) para todos los motores de uso general a una potencia, velocidad y tipo de carcasa dada. Se pueden obtener valores de eficiencia predeterminados para motores de 1 a 500 hp, con velocidades sincrónicas de 900, 1200, 1800 y 3600 RPM, y para carcasas ODP y TEFC.
Los valores de rendimiento para los motores eficientes se calculan como los valores promedio para todos los motores con eficiencias a plena carga mayor o iguales a aquellos citados en la norma NEMA MG. Los motores Premium son aquellos cuyos valores de eficiencia a plena carga son superiores.
• Para motores en kW con potencias fraccionarias:
Tabla 1.1 anexo Valores de eficiencia1 a 500 hp,
Valor característico Rango en kW Valor característico Rango en kW
0.03 0.025 <= kw < 0.040 0.25 0.22 <= kw < 0.28 0.04 0.040 <= kw < 0.057 0.3 0.28 <= kw < 0.35 0.06 0.057 <= kw < 0.070 0.37 0.35 <= kw < 0.45 0.09 0.07 <= kw < 0.11 0.45 0.45 <= kw < 0.50 0.12 0.11 <= kw < 0.14 0.55 0.50 <= kw < 0.66 0.15 0.14 <= kw < 0.17 0.75 0.66 <= kw < 0.90 0.18 0.17 <= kw < 0.22 0.9 0.90 <= kw < 1.00
Tabla 1.2 anexo Valores de eficiencias superiores a 500hp
Valor característico Rango en kW Valor característico Rango en kW
1.1 1.00 <= kw < 1.25 75 73 <= kw < 85 1.3 1.25 <= kw < 1.45 90 85 <= kw < 100 1.5 1.45 <= kw < 1.75 110 100 <= kw < 120 1.8 1.75 <= kw < 2.00 132 120 <= kw < 146 2.2 2.0 <= kw < 2.5 150 146 <= kw < 155 2.6 2.5 <= kw < 2.8 160 155 <= kw < 175 3 2.8 <= kw < 3.5 185 175 <= kw < 195 3.7 3.5 <= kw < 4.0 200 195 <= kw < 215
4 4.0 <= kw < 4.4 225 215 <= kw < 235 4.5 4.4 <= kw < 5.2 250 235 <= kw < 275 5.5 5.2 <= kw < 6.0 280 275 <= kw < 285 6 6.0 <= kw < 7.5 300 285 <= kw < 310 7.5 7.5 <= kw < 8.5 315 310 <= kw < 325 9.2 8.5 <= kw < 10.5 335 325 <= kw < 345 11 10.5 <= kw < 12.5 355 345 <= kw < 375 13 12.5 <= kw < 14 400 375 <= kw < 430 15 14 <= kw < 17 450 430 <= kw < 475 18.5 17 <= kw < 21 500 475 <= kw < 550 22 21 <= kw < 25 560 550 <= kw < 610 26 25 <= kw < 29 630 610 <= kw < 700 30 29 <= kw < 34 710 700 <= kw < 775 37 34 <= kw < 43 800 775 <= kw < 850 45 43 <= kw < 50 900 850 <= kw < 950 55 50 <= kw < 73 1000 950 <= kw < 1125 Anexo.2
Glosario
Amperes (A). Unidad de medida de la corriente eléctrica. La corriente nominal indica la corriente promedio de entrada al motor. Hay tres tipos comunes de corrientes a motores:
Corriente en vacío es la que consume el motor cuando se encuentra sin carga.
Corriente a plena carga, es la corriente solicitada por el motor cuando se encuentra operando bajo plena carga mecánica.
Corriente de rotor bloqueado: es la corriente que circula cuando el rotor del motor se detiene o se bloquea e indica la cantidad de corriente que se puede esperar en los primeros segundos de la partida de un motor.
Calidad de la energía. Las condiciones del nivel de tensión, desbalanceo de voltaje, factor de potencia, y la presencia de armónicas. Una baja calidad de la energía reduce la eficiencia y la confiabilidad del equipo eléctrico. Varias estrategias son usadas para optimizar los niveles de tensión, aumentar el factor de potencia y disminuir la contaminación armónica, como lo son ajustes en transformadores y modificaciones en los circuitos de las cargas.
Carcasa. Se diseñan diferentes tipos de carcasas de motores para protegerlos de varios niveles de exposición a la humedad, partículas y químicos. Los cuatro tipos de carcasas más usados son:
Open Drip Proof (ODP) permite que el aire circule a través del motor, pero tiene una cubierta que evita la entrada de gotas de líquido. Los motores ODP son apropiados para ambientes protegidos.
Totally Enclosed Fan Cooled (TEFC) motores diseñados para impedir que el aire exterior circule dentro de él. Dispone de un ventilador para su enfriamiento. Los motores TEFC pueden funcionar al aire libre y en ambientes polvorientos y contaminados.
Totally Enclosed Nonventilated (TENV) motores que no están equipados de refrigeración a sus partes cubiertas por medios externos.
Explosion Proof (EXPL) es un tipo de motor TEFC diseñado para prevenir chispas o explosiones dentro del motor producidas por materiales inflamables.
Cargo por Demanda. Este cargo se determina a partir del período (15 o 30 minutos) del consumo de potencia más alto en el mes. Los cargos por demanda se están volviendo muy comunes en clientes industriales y comerciales, llegando a US$17 por kilowatt por mes en los Estados Unidos.
Demanda máxima. Es la demanda medida como el máximo consumo de kW en un período de 15 a 30 minutos a lo largo de un mes.
Diseño. Existen cuatro tipos de diseño para motores NEMA: A, B, C, y D. Los motores de diseño A y B son para uso general en aplicaciones que requieren bajo par, como lo son bombas centrífugas, ventiladores y máquinas de par constante. Los diseños A y el B son similares excepto que el B tiene un límite en la corriente de partida. Los motores de Diseño C y D producen un alto par de arranque y son diseñados para el uso en correas, grúas, ascensores, y otras aplicaciones de alto par.
Eficiencia. La energía mecánica de salida dividida por la energía eléctrica de entrada. Existen muchos métodos para medir la eficiencia de un motor, pero el estándar usado exclusivamente en los Estados Unidos es el IEEE 112-B. Este estándar especifica un protocolo de pruebas que usa un
dinamómetro para probar un motor bajo niveles de carga específicos. Todos los valores de eficiencia almacenados en la base de datos US Catálogo del IMSSA y que después son usados en los cálculos del programa son basados en eficiencias determinadas según IEEE 112-B.
Eficiencia nominal. Un valor promedio basado en las pruebas de una población de motores por medio de la norma IEEE 112-B. A pesar de que estadísticamente se esperan pequeñas variaciones en las eficiencias, algunos motores dan como resultado valores un poco por encima o un poco por debajo de su referente nominal. NEMA ha establecido valores mínimos garantizados de eficiencia para cada referente nominal, de tal manera que toma en cuenta estas variaciones. Todos los valores en la base de datos US Catálogo del IMSSA son nominales en vez de las eficiencias mínimas garantizadas.
Empuje. Es la medida de la fuerza que se ejerce sobre los rodamientos en un motor de eje vertical.
Fabricante. Nombre de la compañía productora de los motores. Se incluyen 18 fabricantes en la base de datos US Catalogo del IMSSA. Algunos fabricantes tienen divisiones que ofrecen motores con diferentes marcas, como lo hace A.O. Smith/MagneTek/Century y U.S. Motors/Emerson/Leroy Somer.
Factor de Carga. Es el resultado de la división de la potencia de operación del motor por la potencia de diseño. Por ejemplo, un motor de 10hp manejando una carga de 7.5 hp tiene un factor de carga del 75%.
Factor de Potencia. La medida de la relación de fase entre las ondas de corriente y tensión en un sistema eléctrico. Las cargas inductivas, como los motores eléctricos, tienden a reducir el factor de potencia. La mayoría de los motores trifásicos tienen un factor de potencia especificado para indicar el impacto que pueden tener en el sistema. Los factores de potencia bastante bajos pueden reducir la eficiencia de un sistema, muchas distribuidoras cobran cargos adicionales a las industrias por bajo factor de potencia. Se usan bancos de condensadores para solucionar este problema.
Factor de Servicio. Un multiplicador que indica la habilidad de un motor para trabajar a grados de cargas mayores. Un motor de 10-hp con un factor de servicio de 1.15 puede operar continuamente con una carga de 11.5 hp sin sobrecalentarse, aunque esto reducirá su eficiencia y su vida útil.
Modelo. Es el nombre dado a un modelo de motor por el fabricante. Si no se especifica un nombre, se enlista como “Standard.”
Número de catálogo. Es un número asignado al motor por el fabricante, debido a su clase y características. No todos los fabricantes usan números de catálogo, pero si le es suministrado, debe